热处理对钽强化激光熔覆NiCrBSi涂层的影响

　　激光熔覆是一种用途日益广泛的表面改性技术，它利用高能激光为热源，在低成本基体上熔覆一层高性能的涂层，以提高零件的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能[1,2]。NiCrBSi 镍基涂层具有良好的硬度、耐磨性以及高温性能，被广泛用于提高轧辊、活塞杆、涡轮叶片、刀具、热交换机以及压缩机等零部件的耐磨性能[3]。在工业应用中，有些零件需要在高温载荷下工作并且具有良好的耐磨性，如无缝钢管穿孔顶头工作时瞬间表面温度就高达900℃，并且表面要受到强大的摩擦力[4]。然而目前，关于激光熔覆NiCrBSi涂层在高温载荷影响下组织和性能变化的研究还不多见。钽(Ta)是镍基高温合金的主要强化元素之一，在900℃时，镍中可以溶解11.4%的Ta。Ta不仅可以提高镍基合金的高温稳定性和韧性，而且可以改善合金的抗氧化和抗热腐蚀能力，此外，Ta还是强碳化物形成元素，其可以和C反应生成TaC[5,6]。TaC具有高熔点(3880℃)、高硬度(HV18000~22000MPa)，高热稳定性(2500℃时的自由生成焓为137.7 kJ/mol)以及良好的抗热冲击和热腐蚀性能。强化相的高温稳定性是涂层能否在高温环境下工作的重要因素之一。初生M73碳化物是激光熔覆NiCrBSi 涂层主要的强化相之一，然而随着合金元素含量的不同，其在500~600℃就开始分解[7]。本实验尝试在NiCrBSi 合金粉末中添加Ta，原位生成具有良好高温稳定性的TaC来强化镍基涂层，并固溶强化 Ni 基体相，以提高镍基涂层在高温环境下工作能力。主要研究高温热处理对钽强化激光熔覆NiCrBSi涂层组织及力学性能的影响，并与纯激NiCrBSi涂层进行比较。

　　1 实 验

　　激光熔覆粉末为商用Ni60镍基自熔合金粉末与Ta粉(纯度为99.99%)的混合物，Ta的质量分数为0%和7%。基体材料选用中碳钢平板，尺寸为55mm×35mm×10mm，熔覆前，基体表面用砂轮磨平并用丙酮清洗。Ni60和基体的化学成分见表1。涂层材料预置在基体上。

　　实验采用3kW的横流CO2激光器。熔覆工艺参数如下：功率约为2kW，扫描速度为300mm/min，多道熔覆的搭接率为30%，光斑约为4mm。熔覆过程中采用氩气保护涂层。涂层厚度约为1mm。用王水(HCL:HNO3=3:1)腐蚀试样。用带有EDS能谱仪的场发射SEM扫描电镜观察涂层显微组织和分析物相化学成分。通过XRD分析物相，采用维氏显微硬度仪测量涂层横截面积的显微硬度。把试样放入温度为900℃的电阻中加热1h，并在空气中冷却。

　　在盘-销摩擦机上测量干摩擦环境下涂层的摩擦性能。通过多层熔覆得到厚度约为2mm的涂层。摩擦试样切成直径为5mm的圆柱。摩擦副为淬火GCr15钢做成的圆盘，HRC硬度为62。实验前，涂层和圆盘表面磨平，粗糙度约为Ra=0.6。实验时，涂层压在静止圆盘上转动1h，转动速度为549r/min，转动半径为10mm，载荷为60N。摩擦前后用无水乙醇超声清洗摩擦试样。用精度为0.1mg的天平测量磨损质量，用电子比重计测量涂层密度，磨损体积通过磨损质量除以涂层密度得到，因为涂层没有孔隙，因此这种估算磨损体积的方法是可信的。磨损质量是3次磨损试验的平均值。